顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之量子信息技術(shù)

陳 興

顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之量子信息技術(shù)

陳 興

科學(xué)家預(yù)測：在21世紀(jì)，信息科學(xué)將從經(jīng)典時(shí)代跨越到量子時(shí)代。量子信息技術(shù)是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合的戰(zhàn)略性前沿科技，因其建構(gòu)于顛覆性的堪比相對(duì)論的基礎(chǔ)理論—量子物理之上，從而極富神秘氣質(zhì)，主要包括量子通信、量子計(jì)算、量子探測等領(lǐng)域。量子信息技術(shù)在確保信息安全、提高運(yùn)算速度和探測精度等方面具有顛覆性的影響，是目前最引人矚目的前沿技術(shù)領(lǐng)域之一。正如相對(duì)論造就了核動(dòng)力與核武器，量子信息技術(shù)造就的量子計(jì)算機(jī)、量子通信、量子雷達(dá)等，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)爭的面孔。

超強(qiáng)能力—量子計(jì)算

傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算技術(shù)以“0”和“1”為基礎(chǔ)，進(jìn)行二進(jìn)制計(jì)算和邏輯判斷，因此普通計(jì)算機(jī)中只存在兩種狀態(tài)。量子計(jì)算是利用量子態(tài)的相干疊加性進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和計(jì)算的一種新興計(jì)算技術(shù)，基本信息單位是量子比特。在信息長度都為N時(shí)，量子位的存貯容量是傳統(tǒng)信息位的2N倍，量子計(jì)算速度是傳統(tǒng)計(jì)算速度的2N倍。從理論上講，一個(gè)250量子比特（由250個(gè)原子構(gòu)成）的存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)的數(shù)目達(dá)2250，比現(xiàn)有已知宇宙中的全部原子數(shù)目還多。

量子計(jì)算機(jī)是存儲(chǔ)及處理量子信息、運(yùn)行量子算法的裝置，突出優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用單路串行操作，而量子計(jì)算機(jī)采用多路并行操作，它們運(yùn)算速度的差異，就如同萬只蝸牛排隊(duì)過獨(dú)木橋與萬只飛鳥同時(shí)升上天空的區(qū)別。

當(dāng)前，量子計(jì)算研究受到了全世界的關(guān)注，世界主要軍事國家正在以巨大的熱情追尋著它。美國為推進(jìn)量子計(jì)算芯片研究，啟動(dòng)了“微型曼哈頓”計(jì)劃，這表明美國對(duì)量子計(jì)算的重視程度不亞于核武器。日本和歐洲也啟動(dòng)了類似計(jì)劃。2014年1月，斯諾登披露美國國家安全局正在研制能破譯多種密碼的量子計(jì)算機(jī)，代號(hào)為“攻克難關(guān)”和“掌握網(wǎng)絡(luò)”兩個(gè)秘密項(xiàng)目。

迄今為止，世界上還沒有嚴(yán)格意義上的量子計(jì)算機(jī)，但量子計(jì)算已經(jīng)取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。2011年5月11日，加拿大D-Wave公司發(fā)布了號(hào)稱“全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”的計(jì)算設(shè)備D-WaveⅠ；2013年10月，以全新超導(dǎo)處理器為基礎(chǔ)的512量子比特D-Wave Ⅱ商用型量子計(jì)算機(jī)通過測試，開始服務(wù)于美國國家航空航天局的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室，極大提高了運(yùn)算速度。

如何產(chǎn)生出高純度的硅晶體，一直是量子計(jì)算的重要問題。2014年，美國宣布研制出了世界上純度最高的硅晶體，硅28的含量為99.9999%，解決了量子高速運(yùn)算的關(guān)鍵問題。

在軍事應(yīng)用方面，量子計(jì)算具有廣闊的前景：一是運(yùn)用量子計(jì)算快速破譯現(xiàn)有密碼體系，對(duì)現(xiàn)有的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的密鑰體系形成整體顛覆，從而掌握信息主動(dòng)權(quán)。破譯現(xiàn)有密碼體系，經(jīng)典計(jì)算需要1000年，而量子計(jì)算只需花不到4分鐘。因而有科學(xué)家宣稱：“沒有量子計(jì)算機(jī)的國家與擁有它的國家進(jìn)行戰(zhàn)爭，就像一個(gè)瞎子和一個(gè)明眼人打架。”二是運(yùn)用量子計(jì)算可以對(duì)海量情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，進(jìn)一步提升作戰(zhàn)評(píng)估與決策能力。三是運(yùn)用量子計(jì)算可以有效解決高性能、大數(shù)據(jù)計(jì)算問題，可加快導(dǎo)彈攻防系統(tǒng)、新一代空海作戰(zhàn)平臺(tái)、軍用航天裝備等復(fù)雜武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)進(jìn)程，縮短建模仿真時(shí)間，有效提升武器裝備的研發(fā)效率。

跨越時(shí)空—量子通信

量子通信是利用量子力學(xué)基本原理或量子特性進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N新型通信技術(shù)，主要包括量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)兩種技術(shù)。

量子密鑰傳輸 量子計(jì)算顛覆了傳統(tǒng)密碼，但是同時(shí)量子信息提供了一個(gè)傳輸守護(hù)神，即一種理論上無法破解的密碼—量子密碼。量子密碼利用量子態(tài)不可復(fù)制的特點(diǎn)，解決了密鑰傳輸?shù)陌踩珕栴}。其具體原理是，甲方利用量子通信把密鑰發(fā)送給乙方；如果在甲乙雙方傳送密鑰的過程中，有竊聽者丙方企圖經(jīng)由探測竊取密鑰，必定會(huì)破壞粒子的量子態(tài)，從而產(chǎn)生誤碼；甲乙雙方通過抽樣對(duì)比就可以確認(rèn)該密鑰是否被竊聽過；當(dāng)證實(shí)密鑰未被竊聽后，再用這個(gè)密鑰通過實(shí)施“一次一密”進(jìn)行加密。量子密鑰從理論上提供了一種不可竊聽、不可破譯的絕對(duì)安全的密碼體制。因此，量子密碼具有絕對(duì)安全性，它在軍事上擁有廣闊前景。由于量子密碼具有不可破譯和竊聽可知性，且量子加密設(shè)備可與現(xiàn)在的光纖通信設(shè)備融合，因此可以用來改進(jìn)目前軍用光網(wǎng)的信息傳輸保密性，從而提高信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力。

近期，量子密鑰領(lǐng)域取得了一系列重大進(jìn)展，技術(shù)日益成熟，已有部分實(shí)際應(yīng)用，但傳輸距離依然受限。2007年，由奧地利、英國、德國等組成的聯(lián)合小組創(chuàng)造了144千米的量子密鑰通信距離紀(jì)錄；2013年4月，德國研究人員采用激光束發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空地量子密鑰傳輸，試驗(yàn)中密鑰傳輸速率為145量子比特/秒，通信鏈路持續(xù)時(shí)間8分鐘，誤碼率僅4.5%。

量子隱形傳態(tài) 真正意義上的量子通信是利用量子信道傳送量子信息，主要依靠量子隱形傳態(tài)方式實(shí)現(xiàn)。量子隱形傳態(tài)是以量子態(tài)作為信息載體，利用量子糾纏效應(yīng)，使量子態(tài)從一個(gè)地方傳至另一個(gè)地方。

商用型量子計(jì)算機(jī)D-Wave

現(xiàn)實(shí)生活中，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，這種神奇現(xiàn)象可謂“心靈感應(yīng)”。與此類似，所謂“量子糾纏”，是指在微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子狀態(tài)也會(huì)隨即發(fā)生相應(yīng)變化。量子隱形傳態(tài)的基本原理是，將由一個(gè)源產(chǎn)生的兩個(gè)相互糾纏的粒子分發(fā)到通信雙方，其中一方對(duì)粒子做量子態(tài)測量，在該粒子的量子態(tài)確定的同時(shí)，通信另一方的粒子會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)，量子態(tài)立刻變?yōu)楸粶y量粒子的量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

量子通信有著不可思議的優(yōu)勢。首先，信息在兩位通話者之間的傳輸根本不需要時(shí)間，完全同步，無論這兩人相隔的距離是100千米、100萬千米，還是100光年。其次，量子信道中光子的信息效率，比傳統(tǒng)信道高幾十倍。最后，量子通信沒有電磁輻射，任何無線電探測系統(tǒng)都對(duì)其無能為力，從某種意義上說，量子通信在現(xiàn)有理論環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)隱身。

量子通信示意圖

神秘的量子糾纏現(xiàn)象

在國防和軍事應(yīng)用方面，量子通信有著無與倫比的燦爛前景，可以利用量子隱形傳輸、超大信道容量、超高通信速率等特點(diǎn)，建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網(wǎng)絡(luò)，這與要求苛刻的軍事通信簡直是天作之合。量子通信更能夠應(yīng)用于深海安全通信，當(dāng)前使用的對(duì)潛通信系統(tǒng)規(guī)模龐大，通信質(zhì)量差，效率低，造價(jià)高，嚴(yán)重影響水下通信的質(zhì)量。量子通信因其與傳輸媒介無關(guān)，不受海水影響，獲得可靠通信所需的信噪比比光、電等傳統(tǒng)通信手段低30～40分貝左右，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開辟了一條嶄新的途徑。

目前，量子隱形傳態(tài)雖然有了一些新的突破，但距離實(shí)際應(yīng)用依然遙遠(yuǎn)，面臨糾纏光源獲取困難、傳輸成功率尚不能滿足實(shí)用要求等問題。

量子羅盤

無處遁形—量子探測

量子探測是利用量子糾纏和疊加特性，對(duì)物體進(jìn)行測量或成像。目前，量子探測的熱點(diǎn)主要集中在量子成像、量子雷達(dá)、量子傳感等領(lǐng)域。雖然這些技術(shù)的成熟度較低，但是其潛在應(yīng)用將對(duì)未來作戰(zhàn)模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，可真正實(shí)現(xiàn)全天候、反隱身、抗干擾作戰(zhàn)。

量子成像 量子成像是利用量子光場實(shí)現(xiàn)的一種超高分辨率成像方法，基本過程是將光源產(chǎn)生的光束輸送到兩個(gè)不同的光學(xué)線性系統(tǒng)中，在其中一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中放置物體和點(diǎn)光源探測器，在另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中只放置一個(gè)高分辨率探測器，通過將點(diǎn)光源探測器得到的光強(qiáng)度與高分辨率探測器得到的圖像進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，就可以獲得物體的像。由于量子成像可通過一定的手段，在沒有物體的光路上得到物體的像，因此這種成像方式又被稱為“鬼成像”。

由于量子成像技術(shù)受障礙物、煙塵霧霾、大氣湍流等環(huán)境因素的影響較小，其在戰(zhàn)場上的潛在應(yīng)用引發(fā)了國外軍事強(qiáng)國的關(guān)注，尤其是美國陸軍，早在2003年就開始研究量子成像技術(shù)。2013年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)了“用于圖像增強(qiáng)和改進(jìn)的系統(tǒng)與方法”的創(chuàng)新技術(shù)專利，該專利是關(guān)于在紅外波段進(jìn)行量子成像的技術(shù)。同時(shí)，美國陸軍實(shí)驗(yàn)室還進(jìn)行了距離2.33千米的紅外量子成像測試，在低光和氣流紊亂情況下獲取了非常清晰的圖像。2014年，奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所、維也納量子科技中心和維也納大學(xué)研究人員，開發(fā)出一種全新的違反直覺特征的量子成像技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了無需探測光照射被拍攝物體便可獲得物體圖像，光不需接觸被拍攝物體即可顯示圖像。

量子雷達(dá) 量子雷達(dá)是基于量子糾纏理論，將量子信息調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測的一種設(shè)備，主要包括單光子量子雷達(dá)、糾纏光子量子雷達(dá)及量子激光雷達(dá)。量子雷達(dá)的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)雷達(dá)，可以探測到目前最先進(jìn)的隱形目標(biāo)。目前，量子雷達(dá)技術(shù)的相關(guān)基本理論已經(jīng)成熟，但受量子雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)及器件性能的限制，技術(shù)上還處于探索階段。量子雷達(dá)為反隱身提供了一種全新的技術(shù)發(fā)展途徑，在探測隱身目標(biāo)方面具有重大的發(fā)展及應(yīng)用價(jià)值。例如，如果有一架隱身飛機(jī)通過攔截光子并重新發(fā)送虛假信號(hào)實(shí)現(xiàn)隱身，那么只要雷達(dá)回波僅相當(dāng)于一只鳥的大小，就可以掩蓋自身的真實(shí)位置，但量子雷達(dá)在這一欺騙過程中可以輕易發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的蹤跡。2012年12月，美國羅切斯特大學(xué)研究所披露了利用量子增強(qiáng)型激光雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行探測的試驗(yàn)情況，這次試驗(yàn)證明了量子雷達(dá)不僅能探測到隱身飛機(jī)，還能探測到具有欺騙能力的隱身飛機(jī)。

量子傳感 量子傳感是利用量子信號(hào)對(duì)環(huán)境變化的極高敏感性，提高測量精度的一種新型傳感方法。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局正在開展的“生物環(huán)境中的量子效應(yīng)”項(xiàng)目，利用生物環(huán)境量子效應(yīng)研究電磁噪聲對(duì)鳥類內(nèi)部磁羅盤的干擾，有助于新興仿生傳感器、先進(jìn)人造傳感器的研制。2013年7月，美國陸軍利用激光冷卻原子的方法實(shí)現(xiàn)了在量子傳感器領(lǐng)域的突破，大幅提高了全球定位系統(tǒng)拒止環(huán)境下的導(dǎo)航和探測能力。2014年，英國國防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出“量子羅盤”導(dǎo)航系統(tǒng)原型機(jī)，其具體原理是，通過把一些離子“囚禁”在超低溫狀態(tài)，并減少外部電波造成的影響，使被囚禁的離子僅對(duì)地球產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)敏感，通過測量地球產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)對(duì)這些離子的影響，就能以極高精度實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位功能。目前，科學(xué)家把主要精力用于將該設(shè)備的小型化，以便用于戰(zhàn)場。

結(jié) 語

戰(zhàn)略博弈的贏家，只能是那些見一葉而知天下秋，并立即付諸行動(dòng)的智者。作為一種戰(zhàn)略性前沿技術(shù)，量子信息技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，對(duì)于國家安全具有重大戰(zhàn)略意義。面對(duì)量子信息技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，只有盡早規(guī)劃，提前部署，才能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)先機(jī)和主動(dòng)。正如制空權(quán)理論的建構(gòu)者、意大利軍事家杜黑的名言：“勝利只向那些能預(yù)見戰(zhàn)爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應(yīng)的人微笑。”

責(zé)任編輯：葛 妍